O papel do sistema tiorredoxina nas respostas ao estresse por calor em Arabidopsis thaliana

Abstract

As reações de oxirredução são cruciais para o metabolismo celular e as tiorredoxinas (Trx) desempenham um papel fundamental nesse processo, catalisando reações em proteínas-alvo e mantendo a homeostase redox celular. Para isso, dependem das enzimas redutases da tiorredoxina dependentes de NADPH (NTR) e juntas formam o sistema NTR-Trx. Em Arabidopsis thaliana, as Trx estão distribuídas em quase todos os compartimentos subcelulares. As funções das Trx mitocondriais (o1 e o2) e citosólicas (h1-h7) ainda não são completamente compreendidas. Alguns estudos sugerem que as Trx o1 e h2 têm ação na regulação do ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA) e em reações mitocondriais associadas a fotorrespiração, contribuindo para a aclimatação das plantas a estresses abióticos. Neste contexto, diante das mudanças climáticas, em que se é esperado o aumento das temperaturas médias globais, é fundamental compreender a importância das plantas quando submetidas a condições adversas que impactam seu crescimento, desenvolvimento e respostas fisiológicas. É de conhecimento que quando são submetidas ao estresse por aquecimento prolongado, as plantas apresentam alterações metabólicas associadas com atividades de enzimas da glicólise e do ciclo TCA. Assim, com base nessa sobreposição de respostas entre as vias reguladas por Trx e as observadas quando submetidas ao estresse térmico, levanta-se a hipótese de que as isoformas o1 ou h2 podem exercer funções importantes diante do calor. Com o intuito de investigar os papéis bioquímicos e fisiológicos dos sistemas NTR- Trx mitocondrial e citosólico em Arabidopsis thaliana cultivadas sob aquecimento prolongado foram utilizadas plantas do tipo selvagem (Col-0) e mutantes deficientes do sistema NTR-Trx (ntra/b, trxh2.1, trxh2.2, trxo1.1 e trxo1.2). Estas linhas foram submetidas ao estresse por calor prolongado e posteriormente foram feitas análises metabólicas e fisiológicas, a fim de avaliar as funções do sistema de regulação envolvendo Trx em respostas ao estresse térmico por alta temperatura. O aumento na atividade de enzimas antioxidantes, diminuição da razão dos nucleotídios de piridina reduzidos por oxidados nas plantas mutantes, sugerem que o sistema NTR- Trx extraplastidal tem um papel importante na regulação de vias metabólicas em respostas ao calor moderado em folhas de A. thaliana. Palavras-chave: regulação redox; mudança climática; metabolismo vegetal; mitocôndria; trxRedox reactions are crucial for cellular metabolism, and thioredoxins (Trx) play a fundamental role in this process by catalyzing reactions in target proteins and maintaining cellular redox homeostasis. To achieve this, they depend on NADPH- dependent thioredoxin reductase enzymes (NTR), together forming the NTR-Trx system. In Arabidopsis thaliana, Trxs are distributed across almost all subcellular compartments. The functions of mitochondrial (o1 and o2) and cytosolic (h1-h7) Trxs are not yet fully understood. Some studies suggest that Trx o1 and h2 are involved in regulating the tricarboxylic acids (TCA) cycle and other mitochondrial reactions associated with photorespiration, contributing to plant acclimation to abiotic stresses. In this context, given climate changes and the expected increase in global average temperatures, it is essential to understand the importance of plants when exposed to adverse conditions that impact their growth, development, and physiological responses. It is known that, when subjected to prolonged heat stress, plants exhibit metabolic changes, including alterations in activities of glycolysis and TCA cycle enzymes. Thus, based on the overlap between the pathways regulated by Trx and those observed under heat stress, it is hypothesized that the o1 or h2 isoforms may play important roles in response to heat. To investigate the biochemical and physiological roles of the mitochondrial and cytosolic NTR-Trx systems in A. thaliana under prolonged heating, wild-type (Col-0) plants and mutants deficient in the NTR- Trx system (ntra/b, trxh2.1, trxh2.2, trxo1.1, and trxo1.2) were used. These lines were subjected to prolonged heat stress, followed by metabolic and physiological analyses to assess the regulatory functions of the Trx system in response to high-temperature stress. The results, including increased antioxidant enzyme activity and a decrease in the reduced-to-oxidized pyridine nucleotide ratio in the mutants, suggest that the extraplastidial NTR-Trx system plays an important role in regulating metabolic pathways in response to moderate heat stress in A. thaliana leaves. Keywords: redox regulation; climate change; plant metabolism; mitochondria; trx